[发明专利]采用多层复合薄膜温度传感器测试瞬态切削温度的方法

说明书

技术领域

本发明属于先进制造及切削技术领域，特别涉及切削温度测试方法领域。

背景技术

切削温度是金属切削中一个非常关键的因素。尤其在高速切削中，切削温度尤其是困扰人们的一个重要因素。实时监控，并精确的反映切削过程中的温度变化是非常有必要的。目前，国内外应用于切削过程中温度测量的方法有刀/工自然热电偶法、人工热电偶法、半人工热电偶法、光和热辐射法等。刀/工自然热电偶法操作简单，只能测量切削过程的平均温度，由于自然热电偶法动态响应慢，不能满足快速测温要求。人工热电偶法的热电偶接点与刀尖多少有些距离，而刀尖处的温度梯度较大，因而所测的温度与工件本身的温度相差较远。同时这种结构的热电偶热惯性较大，仍然难以满足瞬态切削温度的测试需要。光和热辐射测温方法具有较快的响应速度，但这种方法只能用于干态切削，测得的温度不是真实的切削温度，只是间接近似地反映传入零件加工表面的切削热所产生的温度，很难准确反映切削区域的瞬态切削温度。本课题组研究的用于化爆材料切削温度测试的薄膜热电偶温度传感器所设计测温刀头为分刀片式，其在金属切削过程中上下刀面在金属作用下易产生分离而被破坏。所设计温度传感器与机床、工件间的不绝缘导致其不能用于金属等导电材料的切削温度测试。所采用多弧离子镀方法制作的NiCr/NiSi薄膜与靶材成分相距较远。综上所述，现有切削温度测量方法只能测定切削区域的平均温度和温度在切屑、刀具和工件中的分布情况，难于精确地测定出切削区域附近各点的实际温度和对切削区域温度的瞬态变化过程进行实时监测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述切削温度测试方法存在的困难，利用非平衡微波等离子体磁控溅射在高速钢或硬质合金刀体上制作一种多层复合薄膜温度传感器，经过多层复合薄膜热电偶切削温度传感器的静态和动态标定，使其在测温范围内具有良好的线性，并且动态响应快，时间常数约为0.8ms。采用多层复合薄膜温度传感器测试瞬态切削温度的方法对铝合金切削过程中切削刃附近瞬态切削温度进行了测试，复合薄膜与高速钢基体的结合强度达到预定要求。发明了一种集切削、测温于一体的能够对切削区域实际温度实时监控并精确反映切削区域温度变化的切削温度测试方法，可以解决金属切削中尤其是高速切削中的瞬态切削温度测试问题。

本发明采用的技术方案是采用多层复合薄膜温度传感器测试瞬态切削温度的方法使用多层复合薄膜温度传感器，进行多层复合薄膜温度传感器静、动态标定，瞬态切削温度采用冷端温度补偿方式；具体步骤如下：

第一步进行多层复合薄膜温度传感器的安装：

1)在具有SiO₂绝缘膜2，NiCr薄膜3、NiSi薄膜4和通槽C的高速钢或硬质合金刀体1上利用微波ECR等离子体源增强射频反应非平衡磁控溅射沉积出Si₃N₄保护薄膜5，构成多层复合薄膜温度传感器I；

2)用耐高温导电银胶6将0.2mm的NiCr热电偶丝7的一端与薄膜电极3粘结，用耐高温导电银胶6’将0.2mm的NiSi热电偶丝8一端与薄膜电极4粘结；

3)NiCr热电偶丝7的另一端和NiSi热电偶丝8的另一端分别穿过通槽C，然后，通槽C用绝缘胶9灌封；

4)在刀杆10下底开纵向槽F，在刀杆10上按顺序分别钻水平孔D、垂直孔E、尾孔G，并去掉毛刺；

5)给NiCr热电偶丝7和NiSi热电偶丝8的引出线加绝缘护套后，使其穿过刀杆10下部的水平孔D、垂直孔E、纵向槽F和尾孔G后引出；

6)安装多层复合薄膜温度传感器I时，用绝缘刀垫12使刀体1底面与刀杆10绝缘；在刀体1其他四个侧面固定绝缘垫片11，夹紧螺钉13和压板14通过绝缘垫片11将刀体1固定；用两个螺钉17将挡板16固定于刀杆10上；

7)工件21通过绝缘垫片安装在三爪卡盘19上，当工件较长时，采用绝缘顶尖22轴向固定；